Структура, эквивалентная схема и графическое обозначение биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), принцип действия, преимущества и недостатки.

Структура IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

рис. 1. Условное обозначение IGBT

рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET- Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — полупроводниковые компоненты, которые являются гибридом МОП-транзистора и биполярного транзистора. Они имеют вертикальную структуру, которую мы уже встречали в предыдущих компонентах. IGBT является, по сути, биполярным /?-и-р-транзистором, ток на базу которого подаётся с паразитного полевого транзистора между коллектором и базой. На Рис. 7.32 изображена эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT. Конструкция у него такая же, как у и-канального МОП-транзистора, только с дополнительным слоем р+. Этот дополнительный ^-«-переход является последовательным диодом, блокирующим внутренний диод МОП-транзистора.

МОП-транзисторы имеют довольно большое сопротивление r_DS(ON) при номинальном напряжении выше 500 В. По этой причине сильно возрастают потери проводимости по сравнению с биполярными транзисторами с тем же номинальным напряжением. К тому же потери проводимости МОП-транзистора возрастают с ростом температуры в связи с увеличением сопротивления в открытом состоянии.

Слой р+ в IGBT инжектирует неосновные носители заряда в эпитаксиальный обеднённый слой n—, что улучшает проводимость области дрейфа и—. Этот эффект подобен эффекту, возникающему в биполярных транзисторах. Такая модуляция проводимости слоем р+ способствует тому, что падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии относительно постоянно во всей области рабочих напряжений.

Рис. 7.32. Эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT

Р-n-р-транзистор в IGBT полностью не насыщается, поэтому падение напряжения на нём в открытом состоянии никогда не бывает ниже падения напряжения на одном диоде и в типичных случаях составляет 1.0...3.0 В. Время запирания у IG ВТ намного лучше, чему биполярного транзистора, потому что в данном случае отсутствует накопление заряда, вызванное эффектом насыщения. Поток электронов в IGBT прекращается сразу же, как только снимается напряжение с затвора, но ток в дрейфовой области продолжает течь, пока не рекомбинируют все дырки. Базовый переход р-л-р-транзистора не имеет внешнего подключения, поэтому нет возможности создавать отрицательный ток базы, чтобы выводить из дрейфовой области неосновные носители заряда в процессе запирания. Вследствие этого при запирании возникает небольшой остаточный ток.

достоинства IGBT
1. при использовании на рабочее напряжение свыше 300v IGBT - дешевле
2. IGBT - имеют более высокую крутизну - нужно меньше энергии для их открывания/закрывания
3. IGBT-имеют меньше значение паразитных емкостей
4. IGBT-более радиационностойкие

недостатки IGBT
1. MOSFET - в открытом состоянии как резистор, который может быть очень маленьким, например, 1mOhm и при токе в 100А через него рассеиваемая мощность будет всего 10Watt, на IGBT при таком токе падение напряжения будет минимум 2v поэтому рассеиваемая мощность будет 200Watt.-сравни 10W и 200W
2. IGBT - может работать только в импульсном режиме включено/выключено и не может работать в линейном режиме как MOSFET
3. IGBT - имеет более высокие коммутационные потери чем MOSFET и не может работать на таких же высоких частотах как MOSFET
4. IGBT - менее надёжен - менее устойчив к перегрузкам по току и напряжению по сравнению с MOSFET, -при перегрузках по току и в случае лавинного пробоя в IGBT выделяется большая мощность при меньшем размере кристала и следовательно меньшим запасом теплоёмкости, не все IGBT в отличие от MOSFET могут работать в режиме лавинного пробоя(ораничения выходного напряжения), IGBT - более подвержены к выходу из строя из-за термоциклирования, IGBT - менее помехоустойчивые.